DE102015222380A1 - Entfernungsmesssystem - Google Patents

Abstract

Entfernungsmesssystem mit einem Sender (10) zur Aussendung eines modulierten Lichtsignals (Sp1), mit einem Empfänger (20), der ein Lichtlaufzeitsensor (22) mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel (23) aufweist, und der zum Empfang und Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals (Sp2) ausgebildet ist, mit einem Modulator (30), der ein Modulationssignal für den Sender (10) und den Empfänger (20) zur Verfügung stellt, und einem Messtarget (45) zur Rückstrahlung des vom Sender (10) ausgesendeten Lichtsignals (Sp1) an den Empfänger (20), wobei das Messtarget (45) eine mittlere Reflektivität von wenigsten 80 % und mehr aufweist, und Homogenität, Robustheit für Verkippung und Abstrahlcharakteristik und das Linsensystem für das Entfernungsmesssystem optimiert sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmesssystem mit einer Lichtlaufzeitkamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
• Mit Lichtlaufzeitmesssystem bzw. Lichtlaufzeitkamera sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1 777 747 A1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic gmbh’ als O3D-Kamera oder als Entfernungsmesser O1D zu beziehen sind. Die PMD-Kamera bzw. der PMD-Entfernungsmesser erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitmesssystem im Hinblick auf Fehlersicherheit zu verbessern
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße System gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Entfernungsmesssystem mit einem Sender zur Aussendung eines modulierten Lichtsignals vorgesehen,
  mit einem Empfänger, der ein Lichtlaufzeitsensor mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel aufweist, und der zum Empfang und Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals ausgebildet ist,
  mit einem Modulator, der ein Modulationssignal für den Sender und den Empfänger zur Verfügung stellt,
  und einem Messtarget zur Rückstrahlung des vom Sender ausgesendeten Lichtsignals an den Empfänger,
  wobei das Messtarget eine mittlere Reflektivität von wenigsten 80 % und mehr aufweist,
  und ferner das Messtarget über die gesamte Fläche eine Homogenität dergestalt aufweist, dass ein vom Messtarget reflektiertes Signal um weniger als 40 % von einem Mittelwert des reflektierten Signals abweicht,
  und wobei für alle Verkippungen des Messtargets in einem Bereich von +/–10° das reflektierte Signal maximal um 40 % schwankt
  und wobei ferner die Abstrahlcharakteristik des Messtargets dergestalt ist, dass in einem Öffnungswinkel von 45° zum Lot der Messtargetoberfläche mehr als 60 % der Strahlleistung des reflektierten Lichts gebündelt sind.
• Durch Bereitstellen eines Messtargets der vorgenannten Art kann sichergestellt werden, dass insbesondere bei dynamischen Messsituationen, bei denen das Messtarget an einem bewegbaren Objekt angeordnet ist, das für die Entfernungsmessung zurückgestrahlte Licht innerhalb bevorzugter Signalgrenzen gehalten werden kann.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
• 2 ein zweikanaliges Entfernungsmesssystem,
• 3 eine Messsituation mit einem zentral beleuchteten Messtarget,
• 4 eine Messsituation mit einem im Seitenbereich beleuchteten Messtarget.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
• Das Lichtlaufzeitkamerasystem bzw. Entfernungsmessgerät 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10, 100 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitfotosensor 22. Der Lichtlaufzeitfotosensor 22 bzw. Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch ein Pixel-Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet.
• Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitfotosensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phaselage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 als Empfangssignal S(p2) auf den Lichtlaufzeitfotosensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes zweikanaliges Entfernungsmesssystem. Das für die Messung erforderlich modulierte Licht wird von einer Lichtquelle 12 über einen Strahlteiler 60 in Richtung eines Messtargets 45 gelenkt und von dort mit bestimmten Reflexionseigenschaften auf das Entfernungsmessgerät 1 zurück reflektiert. Über eine erste und zweite Empfangsoptik 25 wird das reflektierte Licht auf ein erstes und zweites Lichtlaufzeitpixel 23.1, 23.2 gelenkt.
• Zur Referenzierung ist es im dargestellten Beispiel vorgesehen, ein Teil des Sendelichts über den Strahlteiler 60 und einem Umlenkspiegel auf ein Referenz-Lichtlaufzeitpixel 23.R zu leiten. Der Strahlteiler 60 weist vorzugsweise eine Reflexion von mehr als 95 % auf, der verbleibende transmittierte Anteil steht dann dem Referenzpixel 23.R zur Verfügung.
• Ferner ist es vorgesehen, das Entfernungsmessgerät mit einer Frontscheibe 50 abzuschließen, wobei die Frontscheibe 50 bevorzugt noch mit einem Filter 55 versehen ist. Ggf. kann auch noch eine Frontscheibenheizung vorgesehen sein. Selbstverständlich sind auch Varianten ohne Frontscheibe 50 und/oder Filter 55 möglich.
• Ein zweikanaliges Messsystem ist insbesondere für Sicherheitsapplikation, die beispielsweise einem so genannten SIL-Standard insbesondere einen Sicherheits-Integritätslevel gemäß EN 61508 genügen sollen von Vorteil. Für weniger sicherheitskritische Anwendungen kann das Messsystem selbstverständlich auch einkanalig, d.h. mit einem Lichtlaufzeitpixel 23.1 ausgestaltet sein. Auch ist es denkbar, für einfache Anwendung auf den Referenzkanal bzw. auf das Referenzlichtlaufzeitpixel 23.R zu verzichten.
• 3 zeigt das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem in Seitenansicht. Das Messtarget 45 ist hierbei auf ein Messobjekt 80, dessen Entfernung und Entfernungsänderung x überwacht werden sollen, montiert. Das Entfernungsmessgerät 1 ist in Relation zum Messtarget 45 vorzugsweise so positioniert, dass der Sendelichtstrahl S(p1) senkrecht, also mit einem Einfallswinkel EW von 0°, auf das Messtarget 45 auftrifft. Die Rückstrahlcharakteristik RS des Messtargets ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass bei lotrechtem Lichtleinfall in einem Öffnungswinkel von 45° zum Lot der Messtargetoberfläche mehr als 60 % der Strahlleistung des reflektierten Lichts gebündelt ist. Beim gesendeten Licht handelt es sich typischerweise um ein Laserlicht mit sehr geringer Divergenz, so dass die Einflüsse der Divergenz vernachlässigt werden können.
• Aufgrund von Bewegungen des Messobjekts 80 kann es zu Verschiebungen VS und/oder Verkippungen VK des Messobjekts 80 und des mit diesem verbundenen Messtarget 45 kommen.
• Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, um Einflüsse bei der Entfernungsermittlung so gering wie möglich zu halten, das Messtarget 45 bzw. die reflektierende Oberfläche des Messtargets 45 so auszubilden, dass bei einer Verkippung und/oder Verschiebung des Messtargets 45 die Intensität des reflektierten und empfangenen Lichts S(p2) nur innerhalb geringer Toleranzen ändert.
• Bei einem handelsüblichen Tripelreflektor ergeben sich je nach Auftreffpunkt und/oder Einfallswinkel des Sendelichtstrahls sehr starke Schwankungen beim Empfangssignal. Da die zuverlässige Ermittlung des Abstand respektive Phasenverschiebung maßgeblich von der Signalamplitude abhängt, ist ein Tripelspiegel für insbesondere sicherheitsrelevante Entfernungsmessungen ungeeignet.
• Bei einer diffus streuenden Oberfläche wäre zwar die örtliche Homogenität der Rückstreuung gewährleistet, aufgrund der wenig gerichteten lambertschen Rückstreuung können jedoch nur geringe Reichweiten realisiert werden.
• Für das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem ist das Messtarget mit folgenden Eigenschaften ausgestattet:
  Die Reflektivität des Messtargets ist so ausgebildet, dass das Messtarget über alle Oberflächenpunkte eine mittlere Reflektivität von wenigsten 80 % aufweist,
  wobei das Messtarget über die gesamte Fläche eine Homogenität dergestalt aufweist, dass ein vom Messtarget reflektiertes Signal um weniger als 40 % von einem Mittelwert des reflektierten Signals abweicht.
• Die Homogenität ist insbesondere bei Verschiebungen VS des Messtargets wie in 4 gezeigt relevant. Durch die erfindungsgemäß geforderte Homogenität wird sichergestellt, dass bei seitlichen Bewegungen VS des Messtargets die erfasste Signalamplitude in einem bevorzugten Bereich bleibt.
• 5 zeigt eine Verkippung VK durch eine Bewegung des Messobjekts 80. Hier ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass für alle Verkippungen VK in einem Bereich von +/–10° das reflektierte Signal maximal um 40 % schwankt.
• 6 zeigt schematisch eine Struktur bzw. einen Aufbau einer Optik und Sensoranordnung eines erfindungsgemäßen Entfernungsmessers. Der Lichtlaufzeitsensor 22 ist hinter der Empfangsoptik 25 angeordnet. Der Messbereich erstreckt sich von einem Nahbereich d1 bis zu einem Fernbereich d2. Die Empfangsoptik 25, die im dargestellten Beispiel als Fresneloptik ausgeführt ist, weist zwei unterschiedliche Linsenkonturen mit unterschiedlicher Brennweite auf. Die erste Linsenkontur L1 ist vornehmlich für den Nahbereich d1 optimiert und weist eine erste Brennweite f1 auf. Die zweite Linsenkontur L2 mit einer zweiten Brennweite f2 ist in ihren Eigenschaften vornehmlich für den Fernbereich optimiert. Die beiden Linsenkonturen sind auf der Fresnellinse alternierend angeordnet. Die einzelnen Linsenkonturen bzw. die Fresnellinse in ihrer Gesamtheit ist im Hinblick auf eine gleichmäßige Lichtintensitätsverteilung des von einem Messobjekt zurückreflektierten Lichts für den gesamten Messbereich optimiert.
• 7 zeigt einen typischen Intensitätsverlauf eines optischen Entfernungsmessers mit monofokaler Empfangsoptik. Im Nahbereich steigt die Intensität I_S zunächst stark an und fällt dann für den Fernbereich kontinuierlich ab. Damit der Lichtlaufzeitsensor im Maximum der Lichtintensität I_S nicht in Sättigung gerät, wird typischerweise der Lichtstrom über Filter oder Blenden reduziert, so dass auch im Maximum der Lichtintensität I_S eine Entfernungsmessung möglich ist. Diese Abblendung führt jedoch zwangsläufig zu einer Reduzierung des Lichtstroms an den Flanken des Messbereichs, wodurch sich aufgrund des somit abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses der sinnvolle Messbereich verkleinert. Die untere und obere Grenze d_1x, d_2x eines möglichen maximalen Messbereichs ergibt sich aus einer minimalen Lichtintensität I_min bis zu der ein Entfernungswert noch verwertbar ermittelt werden kann.
• 8 zeigt beispielhaft einen möglichen Intensitätsverlauf am Lichtlaufzeitsensor mit einer erfindungsgemäß optimierten Empfangsoptik. Im dargestellten Beispiel durchläuft die Intensität im Nahbereich d1 ein lokales Maximum und steigt nach einer kleinen Absenkung kontinuierlich bis in den Fernbereich d2 an und fällt hiernach kontinuierlich ab.
• Für Entfernungsmessungen besonders geeignet ist ein bevorzugter Messbereich d₂₁, bei dem die Lichtintensität I_S vom Intensitätsmittelwert Isq im bevorzugten Messbereich d₂₁ vorzugsweise um weniger als 20 % abweicht. Im Vergleich zu einem monofokalen Entfernungsmesser gemäß 7 lassen sich der bevorzugte Messbereich und insbesondere auch der maximale Messbereich mit einer multifokalen Empfangsoptik 25 deutlich vergrößern.
• Je nach Anwendungsfall kommen auch Messungen außerhalb des bevorzugten Messbereichs d₂₁ in Betracht. Je nach der tolerierten Messgenauigkeit oder akzeptiertem Signal/Rauschverhältnis lassen sich ggf. Entfernungsmessungen bis zum Erreichen der minimalen Lichtintensität I_min durchführen. Grundsätzlich erstreckt sich der maximale Messbereich dx von einer minimalen Entfernung d_1x bis hin zu einer maximalen Entfernung d_2x in dem die minimale Intensität I_min nicht unterschritten wird.
• Im dargestellten Fall wurden die Empfangsoptik bzw. die Linsenkonturen im Hinblick auf zwei Brennweiten optimiert. Selbstverständlich ist es auch möglich mehr als zwei Brennweiten zu berücksichtigen. Beispielsweise könnte eine dritte Linsenkontur im Hinblick eines mittleren Messbereiches optimiert werden.
• Die Optimierung der Linsenkonturen erfolgt vorzugsweise in mehreren Iterationsschritten. Eingangsparameter für die Optimierung sind vorzugsweise der Abstand zwischen Linse und Sensor sowie zwischen Linse und Objekt als auch eine erwartete Lichtpunktgröße auf einem Messobjekt im Messbereich. Der zu optimierende Parameter ist vorzugsweise die Beleuchtungsdichte am Sensor. In einem ersten Schritt wird die Linsenkontur für einen Nahbereich solange variiert, bis eine möglichst kleine Abbildungsgröße des Objektpunkts bzw. eine hohe Beleuchtungsdichte am Sensor erreicht wird. In einem zweiten Schritt wird die Linsenkontur für den Fernbereich in gleicher Art und Weise optimiert. In gegebenenfalls weiteren Schritten werden die Linsenkonturen solange weiter variiert, bis ein Intensitätsverlauf innerhalb des bevorzugten Messbereichs erreicht wird, der unterhalb der tolerierten Grenzen bzw. Abweichungen liegt. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Ergebnisse besonders vorteilhaft sind, wenn die Intensitäten innerhalb des bevorzugten Messbereichs weniger als 20 % vom Mittelwert abweichen.
• Eine optimierte Empfangsoptik kann vorteilhaft und leicht an charakteristischen Eigenschaften der Brennweiten der einzelnen Linsenkonturen erkannt werden. Eine für den Nahbereich optimierte Kontur L1 zeichnet sich immer durch eine Brennweite f1 aus, die kleiner ist als die Brennweite f2 der Linsenkontur L2, die für den Fernbereich optimiert ist.
• Des Weiteren befindet sich der Brennpunkt bzw. die Brennebene der zweiten Linsenkontur L2 immer in der Nähe des Lichtlaufzeitsensors 22.
• Diese geometrischen Verhältnisse sind schematisch bereits in 6 gezeigt. Der Brennpunkt der zweiten Linsenkontur L2 muss sich nicht zwangsläufig auf der Ebene des Photosensors bzw. Lichtlaufzeitsensors befinden, sondern kann sich auch kurz davor oder je nach Optimierung und Messbereich auch, von der Linse aus betrachtet, hinter dem Lichtlaufzeitsensor 22 befinden.
• Bezugszeichenliste

1

Lichtlaufzeitmesssystem, Entfernungsmessgerät

10

Beleuchtungsmodul, Sender

12

Lichtquelle

15

Sendeoptik

20

Empfangsmodul, Empfänger

22

Lichtlaufzeitsensor

23

Lichtlaufzeitpixel

25

Empfangsoptik

30

Modulator

40

Objekt

45

Messtarget

50

Frontscheibe

55

Filter

60

Strahlteiler

65

Umlenkspiegel

80

Messobjekt

M(p1)

Modulationssignal mit erster Phase

S(p1)

Sendesignal mit erster Phase

S(p2)

Empfangssignal mit zweiter Phase

VK

Verkippung

VS

Verschiebungen

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1777747 A1 [0002]
• US 6587186 B2 [0002]
• DE 19704496 A1 [0002]
• DE 19704496 [0014]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• EN 61508 [0020]

Claims (2)

1. Entfernungsmesssystem mit einem Sender (10) zur Aussendung eines modulierten Lichtsignals (Sp1), mit einem Empfänger (20), der ein Lichtlaufzeitsensor (22) mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel (23) aufweist, und der zum Empfang und Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals (Sp2) ausgebildet ist, mit einem Modulator (30), der ein Modulationssignal für den Sender (10) und den Empfänger (20) zur Verfügung stellt, und einem Messtarget (45) zur Rückstrahlung des vom Sender (10) ausgesendeten Lichtsignals (Sp1) an den Empfänger (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Messtarget (45) eine mittlere Reflektivität von wenigsten 80 % und mehr aufweist, – dass das Messtarget (45) über die gesamte Fläche eine Homogenität dergestalt aufweist, dass ein vom Messtarget (45) reflektiertes Signal um weniger als 40 % von einem Mittelwert des reflektierten Signals (S_mean) abweicht, – dass für alle Verkippungen (VK) in einem Bereich von +/–10° das reflektierte Signal maximal um 40 % schwankt. – und dass die Abstrahlcharakteristik des Messtargets (45) dergestalt ist, dass in einem Öffnungswinkel von 45° zum Lot der Messtargetoberfläche mehr als 60 % der Strahlleistung des reflektierten Lichts gebündelt sind, und dass die Empfangsoptik (25) als Fresnellinse mit mindestens zwei Linsenkonturen (L1, L2), die unterschiedliche Brennweiten aufweisen, ausgebildet ist, wobei die Linsenkonturen (L1, L2) so gestaltet sind, dass eine erste Brennweite (f1) der ersten Linsenkontur (L1) kleiner ist als eine zweite Brennweite (f2) der zweiten Linsenkontur (L2), und dass die zweite Brennweite (f2) der zweiten Linsenkontur (L2) einen Brennpunkt bzw. eine Brennebene in räumlicher Nähe zum Lichtlaufzeitsensor (22) aufweist.
2. Optischer Entfernungsmesser (1) nach Anspruch 1, bei dem die Linsenkonturen (L2, L1) so optimiert sind, dass in einem bevorzugten Messbereich (d₂₁) eine am Lichtlaufzeitsensor (22) empfangene Lichtintensität (Is) maximal um 20 % von einer durchschnittlichen Lichtintensität (Isq) des bevorzugten Messbereichs (d₂₁) abweicht.

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